Новые технологии

В процессе КСМТ (комбинированной сборки мягкими и твёрдыми реагентами) полимер организуется в упорядоченные ряды цилиндров, окружённых оксидом металла. Нагревание в присутствии кислорода превращает полимер в твёрдый углеродный каркас, сохраняющий форму во время нагревания оксида металла до температуры образования однородных кристаллов. Заключительный нагрев в воздушной среде выжигает углерод, оставляя пористый материал. Исследователи из Корнельского университета разработали одноступенчатый процесс создания пористых плёнок оксидов металлов, который мог бы привести к созданию более эффективных топливных элементов и элементов солнечных батарей. В топливных элементах материал с порами молекулярного масштаба (нанопорами) обеспечивает увеличение площади взаимодействия топлива с катализатором. Так же и в элементах солнечной батареи нанопористый материал создаёт больше площади, способной поглощать свет, поэтому в нём большее количество света превращается в электрическую энергию. Раньше материалы такого уровня пористости собирались на жёстких углеродных или кремниевых матрицах, или же путём использования мягких полимеров, самопроизвольно организующихся в пенистые структуры. Создание твёрдых пористых матриц и равномерное распределение оксида металла по их поверхности при такой технологии занимает много времени. Полимерный подход облегчает процесс и создаёт хорошую структуру, но оксиды металлов для полной кристаллизации должны нагреваться до высоких температур, что вызывает коллапс пор. Исследователи из Корнельского университета соединили то, что профессор Ульрих Визнер, профессор материаловедения и машиностроения этого университета считает лучшим в каждом из методов. То есть, использование смеси мягкого изопренполиэтиленоксидного блок – сополимера, или ПИ-б-ПЭО, обугливающегося при нагревании до высоких температур в атмосфере инертного газа с образованием жёсткого углеродного каркаса, с оксидом металла, который после выжигания кристаллизуется на углеродном каркасе. Последующее нагревание в присутствии воздуха выжигает углерод. Визнер называет это «комбинированной сборкой мягкими и твёрдыми реагентами», или КСМТ. Исследователи создали пористые плёнки оксида титана, используемые в элементах солнечных батарей, и пористые плёнки оксида ниобия, возможной основы для катализатора в топливном элементе. Реагенты, которые будут использоваться для создания раствора оксида металла и ПИ-б-ПЭО являются комбинацией. В процессе реакции полиизопреновая часть сополимера образует цилиндры около двадцати нанометров в поперечнике с оболочкой из оксидов металла, а последующая термообработка оставляет однородную кристаллическую структуру из оксида металла с цилиндрическими порами. Поры точно сгруппированы в шестиугольные образования, создающие бОльшую площадь, чем в случае произвольного распределения пор. «Организация пор даёт возможность получить большее их количество в единице объёма», поясняет Визнер. Получившиеся в итоге материалы были исследованы методами электронной микроскопии, рентген – дифракции и множеством других способов, которые подтвердили высокую степень кристаллизации образца и однородность пор, как сообщили исследователи. Следующим шагом, утверждает Визнер, будет применение процесса КСМТ для создания пористых металлов.